【正文】 audio chip ISD2560. SCM is the control center of the system, it is mainly to achieve the following functions: the keystroke identification and the function selection。 phoic storage and playback by using the digital audio chip ISD2560. Firstly, this dissertation designs the hardware circui t of the system. And then piles the control program of record and playback. At last, the summary and prospects of the design was presented. Key words: AT89C51 ISD2560 phoic storage phoic playback 1 緒論 （ 1）課題研究背景及科學意義 在智能儀器儀表或自動控制設備中，增加語音功能能極大地提高人機界面的友好性，方便用戶操作。目前語音服務行業(yè)越來越廣泛，如電腦語音鐘、語音型數(shù)字萬用表、手機話費查詢系統(tǒng)、排隊機、監(jiān)控系統(tǒng)語音報警以及公共汽車報站器等。在許多場合，設計者需要將語音系統(tǒng)和單片機結(jié)合在一起。 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機，單片機可以說是世界上數(shù)量最多的 計算機 。手機、電話、 計算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標等電腦配件中都配有 12 部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作?？梢哉f， 單片機能夠在語音 功能的實現(xiàn)應用中發(fā)揮重大的作用。 數(shù)字語音錄放是指利用數(shù)字技術(shù)對語音信號進行采集、處理、并且在一定存儲設備中進行存儲，并可在需要時進行輸出的過程。相對于模擬設備來說，數(shù)字設備易于集成、小型化、成本更低，同時更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應用。例如監(jiān)控環(huán)境中使用的語音采集系統(tǒng)；再如家庭或?qū)W校中使用的語音復讀機等，都可看作是數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的典型應用。 在對語音信號的處理方面，常規(guī)方法是采用濾波器處理接收到的模擬語音信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再由單片機控 制存儲到存儲器中。在需要輸出語音信號時，亦可由單片機控制從存儲器中輸出， 再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬信號 ， 通過 I\V 變換成電壓信號 ，濾波后通過功放將語音信號輸出。但是這種方法的缺點是，輸出不穩(wěn)定，語音信號有雜音或者變音，這是模擬電路所不能避免的。 為了解決這個問題，我們可以采用專用的語音芯片。語音芯片就是在人工或者是控制器的控制下可以錄音和放音的芯片。語音芯片可以很方便的在單片機系統(tǒng)中使用，并且和單片機的接口非常容易，其體積和重量也能符合單片機系統(tǒng)的要求。因此，本次課題的設計采用的是單片機和語音芯片的結(jié)合，實現(xiàn)語音信 號的數(shù)字化控制。 （ 2）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著 IT 行業(yè)的不斷進步，現(xiàn)在我們的生活中各種語音錄播設備層出不窮。在一般的數(shù)字語音錄放系統(tǒng)中，對語音只是進行簡單的采集、存儲和播放；雖然可以較大程度上保證語音的保真度，但過多的語音數(shù)據(jù)會造成對大量存儲設備的需 2 求。對于大型系統(tǒng)，可通過采用大容量的硬盤、甚至大規(guī)模的磁盤陣列來解決；但是對于小型的設備，例如便攜式的語音復讀機，由于容量有限，則不能采用同樣的方法。 近年來，語音信號處理技術(shù)研究的突飛猛進，為數(shù)字語音錄放系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間。對語音的采集、處理從以前簡單的波形 編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)編碼、壓縮，從而大大減少了存儲數(shù)據(jù)。舉例來說，原始語音一般都是采用 8KHz 抽樣， 16bits的線性 PCM 編碼進行采集，在一般的系統(tǒng)中就直接將采集后的數(shù)據(jù)進行存儲；而如果采用參數(shù)編碼對采集后的數(shù)據(jù)進行壓縮，存儲量則可以大大減少，當需要恢復語音時，可利用編碼后的參數(shù)進行合成，可以得到質(zhì)量令人滿意的結(jié)果。 目前比較典型的語音器件有美國 ISD 公司生產(chǎn)的 ISD 系列語音芯片。 ISD 系列語音芯片采用模擬數(shù)據(jù)在半導體存儲器直接存儲的專利技術(shù)，即將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入單個存儲單元，不需經(jīng) A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換，因此 能夠較好的真實再現(xiàn)語音的自然效果，避免了一般固體語音電路因為量化和壓縮所造成的量化噪聲和失真現(xiàn)象。另外芯片功能強大：即錄即放、語音可掉電保存、 10 萬次的擦寫壽命 、手動操作和 CPU 控制兼容、可多片級聯(lián)、無需開發(fā)系統(tǒng)等等，確實給欲實現(xiàn)語音功能的單片機應用設計人員提供了解決方案?，F(xiàn)在市場上已有公司將以AT89C2051 單片機與 ISD 語音芯片組成的語音組合板，用串口通信，芯片里固化有一些常用語音詞匯，用戶不需了解語音功能的工作原理，只需通過串口按一定協(xié)議發(fā)送代碼即可送出語音。 （ 3）研究方法 系統(tǒng)要求實現(xiàn)語音的數(shù)字 化存儲與回放，整個系統(tǒng)分為錄音、停止和回放三種狀態(tài)。語音信號作為一種模擬信號，本身不能完成數(shù)字化的處理，需要借助專門的語音芯片或者是通過 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換完成模擬語音信號的處理工作。單片機在這個過程中起到了舉足輕重的作用。單片機需要控制語音錄音的開始與結(jié)束，設定信號存儲的地址，并在播放時尋址播放空間并控制播放。 對于通過 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換完成語音信號處理的方法介紹如下：將模擬語音信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機控制存儲在存儲器中，回放時，由單片機控制將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 成模擬信號，經(jīng)放大在揚聲器 或耳機上輸出語音。 這種方法系統(tǒng)電路簡單，程序簡潔。采用閃存保存語音，即使斷電仍然能保持信息不丟失，所以保存信息安全可靠。但是該系統(tǒng)仍需要使用到模擬電路進行信號的放大與濾波，這會使得到的語音信號相對失真，同時也需要采用軟件濾波技術(shù)加以完善，因此本次設計不采用該方法。 若采用語音芯片處理，則不需要在外部進行語音信號的放大和濾波，語音芯片的抗干擾能力極強，可以有效地防止信號失真。語音芯片內(nèi)部集成了 模擬存儲 3 陣列，不用外連存儲器，這使得電路更加簡單易懂，因此本次設計采用該方法來實現(xiàn)。 （ 4）本文的主要工作 本設計的主要任務是查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，在了解和熟悉目前語音存儲與回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，完成基于 51 單片機語音存儲與回放系統(tǒng)設計。 論文組織結(jié)構(gòu)如下： 緒論 主要講述了本課題的來源，研究背景和科學意義，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和成果的優(yōu)越點進行了概述，初步描述了單片機語音存儲與回放系統(tǒng)的設計方法。 第 1 章 單片機控制語音錄放系統(tǒng)的設計 。詳述了設計方案的選擇過程和單片機、語音芯片的選型方法，并介紹了所需芯片的各項功能。 第 2 章 語音錄放系統(tǒng)硬件電路設計。描述了基于 51 單片機語音存 儲與回放系統(tǒng)的組成、功能和控制方案，設計出完整的硬件電路。 第 3 章 語音錄放系統(tǒng)軟件設計。繪出了程序的組成框圖，完成了語音存儲與回放系統(tǒng)的軟件設計，實現(xiàn)了最初設定的功能。 結(jié)束語 總結(jié)出本文設計的優(yōu)缺點，并對系統(tǒng)的改進方向提出了展望。 4 1 語音錄放系統(tǒng)總體設計及主要芯片說明 總體方案論證 方案一：利用單片機及其外圍硬件電路（如 A/D、 D/A、存儲器等），就能完成語音信號的數(shù)字化處理，實現(xiàn)語音的存儲與回放。系統(tǒng)主要由單片機 AT89C5AD57 DAC0832 及 閃速存儲器 AT29C040 組成。 其原理圖如圖 11 所示。 聲音通過 MIC 轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，經(jīng)專用的音頻前置放大器放大后，由帶通濾波器濾波，輸出的信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機。單片機控制將數(shù)字信號存儲在存儲器中，在需要放音時，單片機控制數(shù)字信號從存儲器中讀出，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后輸出。這種方法過程簡單，但是語音信號容易受到外界干擾而失真，并且信號的壓縮存儲比較復雜，硬件電路不宜調(diào)試。 單 片 機A T 8 9 C 5 1A / D 轉(zhuǎn) 換 D / A 轉(zhuǎn) 換采 樣 保 持帶 通 濾 波 器帶 通 濾 波 器放 大 器 放 大 器M I CS P E A K E R閃 速 存 儲 器A T 2 9 C 0 4 0 圖 11 方案一系統(tǒng) 原理圖 方案二：直接采用單片機與專用的語音處理芯片 ISD2560 設計實現(xiàn)語音存儲與回放 ，實現(xiàn)語音的整段錄放。系統(tǒng)框圖如圖 12 所示。 5 I S D 2 5 6 0單 片 機 控 制語 音 輸 入 語 音 輸 出鍵 盤 控 制 圖 12 方案二系統(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)采用語音芯片處理語音信號，抗干擾能力強，存儲方便，調(diào)試簡單，還可以作為語音服務的子系統(tǒng)，所以選擇此方案。下面，就針對此方案做具體的介紹。 器件選擇 單片機的選擇 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū) 動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機也有很多種類，比如 PIC 單片機、 MCS51 單片機和 AVR ATmega128單片機等等。 51 單片機是對目前所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031單片機，后來隨著 Flash Rom 技術(shù)的發(fā)展， 8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATME L 公司的 AT89 系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司 都有 51 系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51和 AT89C2051 都是高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51 和 AT89C2051 主要性能對比表如表 11 所示。 6 表 11 AT89C51和 AT89C2051主要性能對比表 項目 AT89C51 AT89C2051 存儲器 4KB 可編程 Flash 存儲器 2KB 可編程 Flash 存儲器 存儲器保密 三級程序存儲器 保密 兩級程序存儲器保密 內(nèi)部 RAM 128 字節(jié) 128 字節(jié) 靜態(tài)工作頻率 0Hz~24MHz 0Hz~24MHz 定時 /計數(shù)器 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 串行通訊口 1 個串行通訊口 1 個串行通訊口 中斷源 6 個中斷源 6 個中斷源 I/O 引線 32 條 I/O 引線 15 條 I/O 引線 以上可以看出它們是大體相同的，由于 AT89C2051 的 I/O 線很少，導致它無法外加 RAM 和程序 ROM，片內(nèi) Flash 存儲器也少，但它的體積比 AT89C51 小很多。在這里考慮到以后的擴展，本次 設計選擇了擴展接口較多的 AT89C51，以便在需要的時候能夠升級而擴展其他的功能。 語音芯片選擇 語音芯片又稱語音 IC，又被叫做聲音芯片。芯片的錄音功能包括 ADC和 DAC兩個過程，都是由芯片本身完成的，包括語音數(shù)據(jù)的采集、分析、壓縮、存儲、等步驟。它能夠?qū)⒄Z音信號通過采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字，存儲在 IC 的 ROM 中，再通過電路將 ROM 中的數(shù)字還原成語音信號；而語音芯片放音功能實質(zhì)上是一個 DAC過程。 語音芯片根據(jù)集成電路類型來分，凡是與聲音有關(guān)系的集成電路被統(tǒng)稱為語音芯片，但是在語音芯片的大類型中，又被分為 語音 IC（這里應該叫成 Speech IC）、音樂 IC（這里應該叫成 Music IC）兩種。目前，在市場上使用較為普遍的語音芯片如表 12 所示。 7 表 12 常用語音芯片對比表 項目 TE6310 TE6332 ISD1420 ISD2560 語音長度 10s 32s 20s 60 采樣頻率（ kHz） 4~ 8 放音觸發(fā) 放音觸發(fā) 無 邊緣 /電平 電平 工作電壓（ V） ~ ~ ~ ~ 工作電流（ mA） 30 45 30 30 靜 態(tài)電流（ μA） 2 無 10 10 MIC 前置 是 否 否 否 由上表可以看出， ISD2560 語音芯片的語音長度較長，工作電流和電壓也符合要求。因此，本次設計將采用 ISD2560 作為系統(tǒng)的語音處理芯片參與工作。 AT89C51 芯片說明 AT89C51是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 C